Температура замерзания льда. Парадоксы и феномены

При какой температуре замерзает вода? Казалось бы – простейший вопрос, ответить на который может даже ребёнок: температура замерзания воды при обычном атмосферном давлении в 760 мм ртутного столба составляет ноль градусов по Цельсию.

Однако вода (несмотря на чрезвычайно широкую распространённость её на нашей планете) является самой загадочной и не до конца изученной субстанцией, поэтому ответ на этот вопрос требует обстоятельного и аргументированного разговора.

• В России и в Европе температуру измеряют по шкале Цельсия, самое высокое значение которой имеет отметку в 100 градусов.
• Американский учёный Фаренгейт разработал свою шкалу, насчитывающую 180 делений.
• Существует ещё одна единица измерения температуры – кельвин, названная в честь английского физика Томсона, получившего звание лорда Кельвина.

Состояния и виды воды

Вода на планете Земля может принимать три основных агрегатных состояния: жидкое, твёрдое и газообразное, которые способны трансформироваться в разные формы, одновременно сосуществующие друг с другом (айсберги в морской воде, водяной пар и кристаллы льда в облаках на небе, ледники и свободно текущие реки).

В зависимости от особенностей происхождения, назначения и состава вода может быть:

• пресной;
• минеральной;
• морской;
• питьевой (сюда же отнесём водопроводную воду);
• дождевой;
• талой;
• солоноватой;
• структурированной;
• дистиллированной;
• деионизированной.

Наличие изотопов водорода делает воду:

1. лёгкой;
2. тяжёлой (дейтериевой);
3. сверхтяжёлой (тритиевой).

Все мы знаем о том, что вода бывает мягкой и жёсткой: этот показатель определяется содержанием катионов магния и кальция.

Каждый из перечисленных нами видов и агрегатных состояний воды имеет свою температуру замерзания и плавления.

Температура замерзания воды

Почему вода замерзает? Обычная вода всегда содержит некоторое количество взвешенных частиц минерального или органического происхождения. Это могут быть мельчайшие частицы глины, песка или домашней пыли.

Когда температура окружающей среды опускается до определённых значений, эти частицы берут на себя роль центров, вокруг которых начинают образовываться кристаллы льда.

Ядрами кристаллизации могут стать также воздушные пузырьки, а также трещины и повреждения на стенках сосуда, в котором находится вода. Скорость процесса кристаллизации воды во многом определяется количеством этих центров: чем их больше, тем быстрее замерзает жидкость.

В обычных условиях (при нормальном атмосферном давлении) температурой фазового перехода воды из жидкого состояния в твёрдое является отметка 0 градусов по Цельсию. Именно при такой температуре происходит замерзание воды на улице.

Отчего горячая вода замерзает быстрее холодной?

Горячая вода замерзает быстрее холодной – на этот феномен обратил внимание Эрасто Мпемба – школьник с Танганьики. Его эксперименты с массой для приготовления мороженого показали, что скорость замерзания подогретой массы значительно выше, чем холодной.

Одной из причин этого интересного явления, получившего название «парадокс Мпембы», является более высокая теплоотдача горячей жидкости, а также наличие в ней большего количества ядер кристаллизации по сравнению с холодной водой.

Взаимосвязаны ли температура замерзания воды и высота?

При изменении давления, часто связанного с нахождением на разной высоте, температура замерзания воды начинает радикально отличаться от стандартной, характерной для обычных условий.
Кристаллизация воды на высоте происходит при следующих температурных значениях:

• как ни парадоксально, на высоте 1000 м вода замерзает при 2 градусах тепла по шкале Цельсия;
• на высоте 2000 метров это происходит уже при 4 градусах тепла.

Самая высокая температура замерзания воды в горах наблюдается на высоте свыше 5000 тысяч метров (например, в Фанских горах или на Памире).

Как давление влияет на процесс кристаллизации воды?

Давайте попробуем увязать динамику изменения температуры замерзания воды с переменой давления.

• При давлении 2 атм вода замерзнет при температуре -2 градуса.
• При давлении 3 атм началом замерзания воды станет температура -4 градуса по Цельсию.

При повышенном давлении температура начала процесса кристаллизации воды понижается, а температура кипения увеличивается. При низком давлении получается диаметрально противоположная картина.

Именно поэтому в условиях высокогорья и разреженной атмосферы весьма трудно сварить даже яйца, поскольку вода в котелке закипает уже при 80 градусах. Понятно, что при такой температуре приготовить пищу попросту невозможно.

При высоком давлении процесс плавления льда под лезвиями коньков происходит даже при очень низких температурах, но именно благодаря ему коньки скользят по ледяной поверхности.

Аналогичным образом объясняется примерзание полозьев сильно нагруженных нарт в рассказах Джека Лондона. Тяжёлые нарты, оказывающие давление на снег, вызывают его плавление. Образующаяся при этом вода облегчает их скольжение. Но стоит нартам остановиться и задержаться продолжительное время на одном месте, как вытесненная вода, замерзнув, приморозит полозья к дороге.

Температура кристаллизации водных растворов

Будучи отличным растворителем, вода легко вступает в реакции с различными органическими и неорганическими веществами, образуя массу подчас неожиданных химических соединений. Разумеется, каждое из них будет замерзать при разных температурах. Отразим это в наглядном списке.

• Температура замерзания смеси спирта и воды зависит от процентного соотношения в ней обоих компонентов. Чем больше воды добавлено в раствор, тем ближе к нулю температура его замерзания. Если же в растворе больше спирта, процесс кристаллизации начнётся при значениях, близких к -114 градусам.

  Важно знать, что фиксированной температуры замерзания водно-спиртовые растворы не имеют. Обычно говорят о температуре начала процесса кристаллизации и температуре окончательного перехода в твёрдое состояние.

  Между началом образования первых кристаллов и полным застыванием спиртового раствора лежит температурный интервал величиной в 7 градусов. Так, температура замерзания воды со спиртом 40% концентрации на начальном этапе составляет -22,5 градуса, а окончательный переход раствора в твёрдую фазу произойдёт при -29,5 градусах.

Температура замерзания воды с солью находится в тесной связи со степенью её солёности: чем больше соли в растворе, тем при более низком положении ртутного столбика он замёрзнет.

Для измерения солёности воды используют особую единицу – «промилле». Итак, мы установили, что температура замерзания воды с увеличением концентрации солей понижается. Поясним это на примере:

Уровень солёности океанской воды равна 35 промилле, при этом средняя величина её замерзания составляет 1,9 градуса. Степень солёности черноморских вод насчитывает 18-20 промилле, поэтому замерзают они при более высокой температуре с диапазоном от -0,9 до -1,1 градуса Цельсия.

• Температура замерзания воды с сахаром (для раствора, моляльность которого составляет 0,8) равна -1,6 градуса.
• Температура замерзания воды с примесями во многом зависит от их количества и характера примесей, входящих в состав водного раствора.
• Температура замерзания воды с глицерином зависит от концентрации раствора. Раствор, содержащий 80 мл глицерина, замёрзнет при -20 градусах, при снижении содержания глицерина до 60 мл процесс кристаллизации начнётся при -34 градусах, а начало замерзания 20% раствора – минус пять градусов. Как можно заметить, линейная зависимость в данном случае отсутствует. Для замерзания 10% раствора глицерина будет достаточно температуры -2 градуса.
• Температура замерзания воды с содой (подразумевается едкая щёлочь или каустическая сода) представляет ещё более загадочную картину: 44% раствор каустика замерзает при +7 градусах Цельсия, а 80% - при+ 130.

Замерзание пресных водоёмов

Процесс образования льда на пресноводных водоемах происходит в несколько ином температурном режиме.

• Температура замерзания воды в озере, точно так же, как и температура замерзания воды в реке, равна нулю градусов по шкале Цельсия. Замерзание самых чистых речек и ручьев начинается не с поверхности, а со дна, на котором присутствуют ядра кристаллизации в виде частиц донного ила. Коркой льда поначалу покрываются коряги и водные растения. Стоит лишь донному льду подняться на поверхность, как река мгновенно промерзает насквозь.
• Замерзшая вода на Байкале иногда может охлаждаться до отрицательных температур. Происходит это лишь на мелководье; температура воды при этом может составлять тысячные, а иногда и сотые доли одного градуса ниже нуля.
• Температура байкальской воды под самой коркой ледяного покрова, как правило, не превышает +0,2 градуса. В низших пластах она постепенно повышается до +3,2 на дне самой глубокой котловины.

Температура замерзания дистиллированной воды

Замерзает ли дистиллированная вода? Напомним о том, что для замерзания воды необходимо присутствие в ней неких центров кристаллизации, коими могут стать пузырьки воздуха, взвешенные частицы, а также повреждения стенок ёмкости, в которой она находится.

Дистиллированная вода, совершенно лишённая всяких примесей, не имеет и ядер кристаллизации, а поэтому её замерзание начинается при очень низких температурах. Начальная точка замерзания дистиллированной воды составляет -42 градуса. Учёным удалось добиться переохлаждения дистиллированной воды до -70 градусов.

Вода, подвергнутая воздействию очень низких температур, но при этом не кристаллизовавшаяся, называется «переохлаждённой». Можно, поместив бутылку с дистиллированной водой в морозильную камеру, добиться её переохлаждения, а затем продемонстрировать очень эффектный трюк - смотрите в видео:

Тихонько постучав по бутылке, извлечённой из холодильника, или бросив в неё небольшой кусочек льда, можно показать, как мгновенно она превращается в лед, имеющий вид удлинённых кристаллов.

Дистиллированная вода: замерзает или нет под давлением эта очищенная субстанция? Такой процесс возможен лишь в специально созданных лабораторных условиях.

Температура замерзания соленой воды

Температура замерзания отдельных морей

• Каспийского моря? Солёность каспийских вод составляет около 13 промилле. Их замерзание происходит при -0,5 градуса Цельсия. Толщина ледяного покрова северной части Каспия составляет около двух метров.
• Азовского моря? Его соленая вода замерзает при температуре от -0,5 до -0,7 градусов по шкале Цельсия. Солёность составляет около 11 промилле. Толщина льдов, покрывающих море в период с декабря по март, равна одному метру.
• Японского моря? Почему соленая вода этого моря не замерзает? Это объясняется высоким (около 34 промилле) уровнем её солёности и географическим положением моря.
• Балтийского моря? При солёности, насчитывающей всего 6-8 промилле, температура замерзания морской воды в Балтике близка к нулю.

Экспресс-ответы

При скольких градусах замерзает вода:

Чистая вода — считается самой лучшей жидкостью, которая отлично очищает и увлажняет организм. Человеческое тело состоит из воды где-то на 70%.

Если вы испытываете усталость, сонливость или вялость, то рекомендуется выпить один стакан теплой воды. По результатам эксперимента, человеку на один килограмм массы тела следует выпивать около 30 мл воды. Поэтому если ваш вес составляет 70 кг, то советуется каждый день потреблять 2,1 л воды. Чтобы удовлетворить потребности организма в жидкости, рекомендуется ежедневно выпивать не менее 1,5 литра воды, можно пить каждые 40-50 минут по пол стакана водички.

Вода обладает многими полезными свойствами и без неё невозможно жизнь на Земле. Все знают, чтобы вода замерзла, температура замерзания должна быть 0 градусов Цельсия, но это в случае нормальных природных условиях.

Стоит отметить, что давление в разных точках земного шара существенно отличается, поэтому температура замерзания воды зависит от определенного показателя давления.

Важно понять тот факт, что чем выше будет давление в окружающей среде, тем больше температура замерзания или наоборот, чем ниже в природной среде давление, тем меньше температура кристализации.

Температура замерзания воды в океанах и морях

Не забывайте учитывать наличие молекул и примесей в воде. Они сильно влияют на температуру замерзания воды. К примеру, солёная вода способна замерзать при очень низких температурах (около -2 градусов Цельсия).

Если взять абсолютно чистую воду, то она может даже не замерзнуть при температуре -70 градусов Цельсия. Кровь рыб обычно замерзает при температуре -1 °С. Многие ученые задавались вопросом, как рыбам удается не замерзнуть при слишком низких температурах. Оказывается, существуют такие виды рыб, которые способны вырабатывать в поджелудочной железе белки. Именно они впитываются кровью и не дают возможности начать процесс кристализации.

1. Дистиллированная вода является отличным диэлектриком и почти не способна проводить ток.
2. При замерзании и испарении она расширяется.
3. Единственное вещество, которому удается находиться сразу в трёх агрегатных состояниях.
4. Способна растворить практически все вещества на Земле.
5. Ледники содержат в себе около 2/3 части всего мирового запаса пресной воды.
6. Принято считать, что температура замерзания пресной воды составляет 0 градусов по Цельсию, а морская вода замерзает при температуре — -1,8°С.

Моментальная заморозка воды — видео

Ответ на этот вопрос представляется очевидным – при 0 градусов Цельсия, - однако он не совсем корректен. Если подвергнуть медленному охлаждению очень чистую (лучше всего дистиллированную) воду, то она может оставаться жидкой и при температуре в несколько градусов ниже нуля. Однако, если в эту переохлажденную воду бросить маленький кусочек льда, щепотку снега или просто пыли , вода мгновенно замерзнет, прорастая по всему объему длинными кристаллами. Столь странное поведение воды объясняется особенностями процесса кристаллизации. Превращение жидкости в кристалл происходит в первую очередь на примесях и неоднородностях – частичках пыли, пузырьках воздуха, царапинах на стенках сосуда. Чистая вода центров кристаллизации практически лишена, поэтому она может переохлаждаться (и довольно сильно), оставаясь жидкой. Известен случай, когда содержимое хорошо охлажденной в морозильнике бутылки нарзана, открытой жарким летним днем, мгновенно превратилось в кусок льда. В лабораторных условиях температуру воды, правда, в очень малых объемах, удавалось довести до –70 градусов Цельсия.

Как изменяются свойства льда под воздействием сверхвысокого давления?

В первой половине ХХ века американский физик Перси Уильямс Бриджмен (1882 – 1961) провел ряд экспериментов, в которых подверг лед давлению в несколько тысяч атмосфер. В результате он получил целую серию новых видов льда, обладавших значительно большими, чем у обычного льда, плотностью и температурой таяния. Один из полученных образцов был более чем в 1,5 раза тяжелее воды, другой оставался твердым при температуре выше температуры кипения воды.

Почему капля воды, упавшая на слабо нагретую сковороду, испаряется почти мгновенно, а на раскаленной сворачивается в шарик и долго бегает по металлу, не меняясь в размерах?

Капля воды на очень горячей сковороде «плавает» на слое пара, который служит своеобразной теплоизолирующей прослойкой. К тому же капля при этом под действием сил поверхностного натяжения сворачивается в шарик, зона ее контакта (а значит, и теплообмен) с раскаленным сильно уменьшается.

Почему на пляже даже в жару можно простудиться, если долго лежать на одном месте?

Теплопроводность материалов, покрывающих пляж (песок или галька), невелика. Стоит в самый жаркий день разрыть нагретую поверхность, как доберешься до лежащих под ней холодных слоев. Именно поэтому, если достаточно долго лежать на одном месте, даже в жару можно простудиться. «Виновата» в этом теплопередача между телом человека и отбирающими тепло холодными слоями песка.

Всегда ли молния бьет из грозовой тучи вниз, в землю?

В 2002 году сообщалось, что во время тропической грозы на побережье Пуэрто-Рико удалось сфотографировать «перевернутую» молнию. Она ударила из тучи не в землю, а в небо, на высоту до 70 километров. По своей сути это был мощный электрический пробой между облаками и ионосферой. Ученые предполагают, что такие разряды происходят довольно часто, просто их не всегда удается зарегистрировать. «Перевернутые» молнии могут играть важную роль в общем энергетическом балансе планеты.

При какой температуре замерзает вода , еще со школы все помнят, что ледяная корочка на воде появляется при 0 градусов по Цельсию. Но, даже при такой, относительно, не низкой температуре, вода в стакане может полностью замерзнуть, образовав цельный кусок льда. Стоит отметить, что замерзание воды, это ее одна из естественных форм. Вы должны помнить, что вода может быть в твердом, жидком и парообразном состоянии, и во всех трех состояниях, это вода.

Чтобы провести наглядный пример, достаточно поместить бутылку воды в морозильник, и уже через два часа можно увидеть кусочки льда внутри, а через сутки, вся жидкость в бутылке перейдет в твердое состояние льда. Но, необходимо помнить, что при замерзании лед расширяется, и банка может лопнуть, особенно если она налита до краев и закрыта крышкой. Вы никогда не задумывались над тем, почему все столбики в заборах делаются с глухой крышкой, а если нет, то их затыкают или накрывают пластиковыми банками. Все из-за того, чтобы внутрь этих столбиков не попадала вода. В России как бывает, сегодня идет проливной дождь, а завтра температура опускается ниже нуля. Наполнив столбик водой, температура ниже нуля превращает воду в лед, а он в свою очередь может повредить столб, вызвав появление трещин и других дефектов. Вы спрашивали, при какой температуре замерзает вода? Процесс кристаллизации и переход воды из жидкого состояния в твердое состояние, начинается уже при 0 градусов по Цельсию.

При какой температуре замерзает вода в трубах отопления в жилом доме

Если в доме в течение нескольких дней сохраняется температура -10, а в трубах находится вода, то она может замерзнуть, что приведет к разрыву труб. Многие наверняка видели современные отопительные батареи с функцией слива воды. Почти все современные батареи оборудуются возможностью слива воды. Это делается для того, чтобы при возникновении ЧП, когда в доме температура -10, вода не замерзала и не рвала трубы. Если ситуация до этого дошла, по очень вам сочувствуем, скорее всего вам придется менять батареи, так как в процессе замерзания воды, наверняка произошли микротрещины, которые делают дальнейшую эксплуатацию этих батарей опасной.

Почему может замерзнуть вода в трубах. Если в отопительный сезон, как раз тогда, когда батареи заполняются водой, произошла поломка и вода подается остывшей, а на улице температура стремительно опускается, это может привести к замерзанию труб.

Мы уже ответили на вопрос, при какой температуре замерзает вода, в качестве эксперимента возьмите небольшой стакан, наполните его водой на половину и положите в морозилку на несколько часов, достаточно двух часов, чтобы вода частично превратилась в лед.

Вода занимает две третьих земной поверхности и примерно столько же – в организме каждого из нас. Вода повсюду, однако до сих пор не изучена до конца, и даже самые простые ее свойства оставляют множество вопросов. Например, каждый школьник знает, что H2O может быть в трех состояниях: в жидком это вода, в газообразном – пар, и в твердой форме – лед. Но так ли очевиден ответ на вопрос, при какой температуре замерзает вода?

Что влияет на градус замерзания

Представим, что у нас есть идеальная среда с температурой ровно 0°C – общеизвестно, что вода замерзает именно при этом градусе – и в эту среду мы помещаем кусочек льда и воду в жидком состоянии. Что произойдет? Собственно, ничего: вода не замерзнет, а лед не начнет таять. Объяснение в том, что в данной модели нет условий для фазового перехода.

Простыми словами: помимо снижения температуры до определенного градуса, на замерзание воды влияют и другие факторы. Один из них – атмосферное давление, которое создаётся гравитационным притяжением воздуха к Земле. И температура замерзания воды находится в прямой зависимости от давления.

Рассмотрим это на примере: чем выше мы поднимаемся над уровнем моря, ниже становится атмосферное давление и тем выше должна быть температура для кристаллизации воды. На высоте в 1000 метров вода замерзает при температуре +2 °C; поднявшись еще на километр, мы увидим, что вода кристаллизируется уже при +4 °C.

Наличие примесей

Также, кроме давления и температуры, на замерзание воды влияет ее состав: в ней в том или ином количестве находятся органические и минеральные частицы, то есть кусочки глины, песка, пыли. Когда температура в окружающей среде снижается до необходимого градуса, вокруг этих частиц образуются кристаллы: кусочки пыли, песка, камня выполняют роль ядрового центра, вокруг которого начинается процесс кристаллизации.

А в дистиллированной (очищенной) воде процесс замерзания протекает иначе: поскольку в ней нет потенциальных ядер кристаллизации, вода может охладиться до минусовой температуры, но не замерзнуть.

Итак, время замерзания воды зависит от таких факторов:

• атмосферное давление в окружающей среде;
• температура воздуха;
• количество жидкости;
• ее химический состав;
• в какой емкости находится H2 O (или отсутствие емкости).

Феноменальные свойства H2 O

Приведем еще несколько фактов об удивительном поведении воды:

• При замерзании молекулы воды расширяются, и ее масса становится тяжелей массы льда. Лед, согласно закону Архимеда, выталкивается на поверхность. Таким образом природа закрывает коркой льда водоемы, защищая и сохраняя все живое в их глубинах.
• Горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная. Звучит невероятно, но это так. Называется это явление «парадокс «Мпембы». Дело в том, что у горячей воды больше теплоотдача и более высокая насыщенность ядрами кристаллизации.
• В вакууме при 0°C вода сначала закипает, потом одна восьмая ее испаряется, а оставшееся количество замерзает.
• Учеными при лабораторных исследованиях была получена так называемая стеклообразная вода – аморфная твердая субстанция, из которой состоят кометы во Вселенной. Для перехода воды в такое состояние необходимо за считаные миллисекунды понизить температуру до -137 градусов Цельсия.
• Максимальной плотность H2 O будет при +4°C.